浅谈5G网络

浅谈5G网络

移动通讯发展历程

5G的定义

5G:第五代移动通讯技术

5G的技术指标

5G关键技术

（1）超密集组网----知足热点高容量场景：大量增长小基站，以空间换性能；
宏基站：数公里
小基站（家庭基站；室内基站；我的基站；微基站；微微基站）：10米到200米SDN
（2）大规模天线阵列—提高了信号可靠性；提高了基站吞吐率；大幅下降对周边基站的干扰；服务更多的移动终端
（3）动态自组织网络（SON)----部署灵活；支持多跳；超可靠性；支持超高带宽
（4）软件定义网络（SDN)----物理上分为控制平面和转发平面；控制器集中管理多台转发设备；服务和程序都部署在控制器上
（5）网络功能虚拟化（NFV)----软硬件解耦，虚拟化；通用功能实现网络功能

5G面临的挑战

（1）频谱资源的挑战
5GHz如下频段已经很是拥挤；
解决办法： 使用高频段，超高频段；
（2）新业务的挑战
eMBB:3D/超高清等大流浪移动宽带业务；
挑战：AR/VR等对传输速率的要求高；
nMTC:大规模物联网业务;
挑战：对链接数，待机，耗电等要求高；
uRLLC:无人驾驶，工业自动化等高可靠，低时延业务；
挑战：对时延，可靠性要求极高；
（3）新场景挑战
移动热点：大量热点带来的超密集组网；
物联网：物联新业务远超人的活动范围；
低空/高空覆盖：无人机，飞机航线覆盖；
（4）安全挑战
三大场景安全： eMBB：安全处理性能，二次认证，已知漏洞；
mMTC:轻量化安全，海量链接信令风暴；
uRLLC：低时延的安全算法，边缘计算，隐私
保护。
新架构安全： SDN,NFV等新安全挑战

5G场景需求

1.高清视频的需求

高清视频须要更高的速率

2.流媒体VR视频的带宽需求

VR对带宽的需求更大，理想的VR须要2G bps流量，只有5G能知足。

3.万物互联、万物互通（物联网需求）：

包括智能城市，智能建筑，智能家庭，智能交通设备等都须要链接入网络。

不一样网络制式所支持的链接数：

在3G的时代每一个小区支持100个链接便可，由于大部分的用户都是手机用户。

到了4G时代，每一个小区须要支持上千个链接，包括手机，平板，电脑，等各类智能终端设备。

5G时代，每平方千米须要支持1百万个链接数，由于设备除了手机、平板等智能终端设备，还多了物联网设备，汽车，VR等。

自动驾驶对低时延的需求：

自动驾驶因为安全性，须要很低的时延。当驾驶时速为120千米/小时的时候。不一样网络制式的时延不一样。形成制动距离相差很大。
制动距离 = 车速 * 系统时延。制动距离越小越安全。

ITU对IMT2020愿景的描述：

5G的铁三角：

1. eMBB加强型 的MBB。要求速率达到10Gbit/s.
2. mMTC（海量链接的物联网业务）。1百万链接每平方千米。
3. uRLLC（超高可靠性与超低时延业务）。时延下降到1ms。

5G 3GPP网络架构

5G网络架构介绍

5G网络名称：

核心网：NG（Next Generation）Core

无线网络: NR(New RAN) 无线接入网（Radio Access Network）

5G网络架构分为两部分，NGC：核心网。 NG-RAN：下一代无线接入网。

NG-RAN：由若干GNB组成。

gNB指的是5G的基站设备。3G基站叫NodeB（NB），4G基站叫eNB。

NG-C：（Next Generation Core）下一代核心网（包括AMF、UPF功能模块）。

AMF：（Access Management Function），接入管理功能。

UPF：(User Plane Function) 用户面功能。主要进行用户面数据的存储和转发。

5G时代NG-RAN的关键特性—集中式部署:

集中式部署：部分上层协议栈功能集中部署，底层功能分布式部署。

所谓集中式：是指将RAM无线接入测的协议栈功能进行分类，分为两大类。

第一层是上层协议级的功能，它们对应时延的要求不高，能够进行协议栈的集中部署。变为资源池，离用户较远。而底层协议对时延要求高，能够进行分布式部署。能够有效下降时延。

5G网络设计原则：

5G网络设计的4大原则：

1. **NFV/SDN技术。**NVF（Network Function Virtual）网络功能虚拟化，使网络更具备弹性。SDN（Software Define Network）软件定义网络，经过转发与控制面的分离，经过全网的角度去看待IP网络，更好的调度网络，分配资源提升利用率。
2. 控制业务分离。尽可能把控制面与业务面分离，提升业务效率。
3. 网络功能切片。 经过不一样的网络需求，QoS、时延需求，带宽需求等。将一个物理网络分为多个逻辑的网络。知足不一样的应用需求。
4. 流程定义为业务。 将网络功能从硬件中解耦出来，变为一个个服务、业务。如QoS功能，移动性管理功能，会话管理功能等，都从硬件中分离出来，变为一个一个的服务。从而能够根据不一样的业务来挑选不一样的服务，整合起来。好比：水表表明对移动性管理的功能就不太须要。
   

5G网络架构特色：

1、为分布式的用户带来知足极致的体验：

经过分布式的用户面来知足极致的体验和极低的体验。
5G网核心网会分为两个部分：
一部分为CP（Control Plane），控制面
一部分为UP(User Plane)，业务面。
控制面能够放在中央的机房里，由于它对时延处理要求不是过高。
而业务面则不断下沉至边缘数据中心，离基站很是近。此时时延很是小。
安装业务QoS来把控制面和用户面灵活部署在不一样级别的DC上。
边缘DC离基站小于20千米。

2、用SOA重构控制面，缩短上市时间：

将原有网络功能和设备解耦，变为单个的服务，将服务软件化。每一个切片根据本身的状况和实际需求来动态选取编排不一样的服务。同时也有第三方功能模块开发，能迅速和第三方对接。从而缩短业务上市时间。

面向服务的架构(SOA):service-oriented architecture
UDM：（Unified Device Management）统一设备管理
QoS：（Quality of Service）服务质量
MM：（Mobile Management）移动性管理
Charging：计费管理

5G cloud RAN网络

背景：统一架构的网络需求：

业务场景：mMTC，eMBB，uRLLC，On-demand，IoT
商业模式：Slicing，Open API，Fast TTM。
技术演进：Multi-RAT，Nulti-layer，Unlicensed，Multi-band，Mutil-antenna。
效率提高：Hot Spot，Unbalanced Traffic，Tidal Effect。

实现：网络功能虚拟化及云化：

传统的网络是烟筒式的，各类功能须要专用的硬件。虚拟化的时代，须要将软件硬件解耦。

SingleRAN到CloudRAN的演进：

SingleRAN：

SingleRAN： 指的是2G，3G，4G尽量利用原有的物理资源，经过在原有的物理资源之上，进行不一样的软件资源的叠加，就能够实现GSM、UMTS、LTE，2G，3G，4G的功能。可使得2/3/4G共用一个无线的机柜，共用一个基带单元，共用一个传输系统，共用一个OM系统。

可是到了5G时代，原来的架构远远不能知足如今的需求。须要向CloudRAN演进。

什么是Cloud RAN？

CloudRAN云化架构分为两部分：

RAN集中式单元（CU）concentrate unit：指的是把各个基站功能相同的单元合并起来，统一部署，变为一个资源池。不一样基站之间能够共享这些资源。
RAN分布式单元（DU）distribut unit：部署在各个基站处，更靠近用户。

CloudRAN协议栈切分：

从资源利用角度看，能够把更多协议划分到CU。

从时延角度看，又须要把更多协议划分到DU.

综合考虑：将RRC，PDCP划分到CU，RLC，MAC。PHY划分到DU。

CloudRAN价值：

灵活组网：能够根据不一样的业务需求，灵活部署。

弹性扩展。

CloudRAN的部署场景：

1. 一体化部署场景。
   
   传统网络，不引入MCE。实时部分和非实时部分融合为一体。

2. 分离部署场景。多是未来很是重要的一个场景。
   
   引入MCE，部署RAN-NRT（RAN非实时部分），传统基站只部署RAN-RT（实时部分）。

3. 混合部署场景
   
   不引入MCE，小站实现SuperSite架构，RAN-NRT部署在宏站（实现eNodeB的S1汇聚），RAN-RT扔部署在小站。宏站充当小站MCE的角色。宏站自身也包含实时部分和非实时部分。

5G空口关键技术

全新的空口技术：

在5G时代，空口的速率的会高达10Gbit/s，所以须要采起各类新技术来提示空口频谱的效率。目前经常使用的有5中新技术用于空口。

1. 全双工，全双工模式提高吞吐率。
2. SCMA：多址接入提高链接数，缩短时延。
3. F-OFDM：灵活的波形，灵活应对不一样业务。
4. Polar编码：信道编码，提高可靠性，下降功耗。
5. Massive MIMO，空间复用，提高吞吐率。

新空口能够灵活适配众多业务，频谱效率至少提高3倍。

F-OFDM：很是灵活的空中接口的自适应波形：

4G（OFDM）:子载波带宽是固定的，15kHz。

5G（F-OFDM）：子载波带宽不是固定的，能够灵活针对不一样的QoE应用的报文大小。提升资源利用率。有效提高频谱效率。

SCMA（稀疏码多址接入）：

1G是采用：FDMA，频分多址接入。

2G采用：TDMA + FDMA，时分多址接入 + 频分多址接入。

3G采用：CDMA，码分多址接入。

4G采用：OFDMA，正交频分多址接入。

5G采用了，SCMA，稀疏码分多址接入。实质是，CDMA+OFDMA。

在正交频分以后，每一个子载波能够根据码分的技术来区分不一样的用户。从而使频谱效率大幅度提高。在同一个子载波中，码分的用户数越多，容量就会越高，可是干扰也会越大。目前，通常在4个子载波中，容纳6个用户，也就是1.5倍的容量提高。

5G的信道编码-Polar码和LDPC码：

信道编码：在信道中加了保护和冗余bit，以实现更高的解码以及提升系统的可靠性。5G时代有连个重要的编码：Polar码和LDPC码。

编码算法的选择原则：纠错性能，时延，实现效率。

Turbo编码：成熟，但在高速路和低时延处理有劣势。
LDPC编码：实现复杂度低，适用于高度及大数据块。并行处理有优点。
Polar编码：小数据块传输时，性能优于其余编码。成熟度低。
对于eMBB场景，初步结论：

控制信道：Polor码。
大数据块业务信道：LDPC码

5G的多天线技术Massive MIMO：

原来的天线通常都是两T两R，两发送两接收。

到了Massive MIMO，5G时代，高达64T，64R或者128T，128R。

Massive MIMO的优点：

更多的天线实现更好的覆盖。

多天线赋形，实现更灵活的3D覆盖。

同时覆盖高层，中层，底层等位置的信号。

多层发射实现更高的容量。

MUBF，将多个手机的波束捆绑为一个波束。有效提高小区的容量。 能够更精准的控制波束的大学，下降干扰，提高性能。

宽波束到窄波束成型。

全双工：

全双工：指在同一频率，同时进行收发。实际是半双工，经过时分复用或频分复用。

半双工致使频谱损失。

全双工系统容许在一样的时隙和频率资源上进行发送和接收。全双工最大的问题是，干扰大。

全双工要解决的第一大问题就是要下降干扰。

目前通常采用的技术。由于发射端的信息是已知的，能够把发射端认为是一个已知的干扰，在接收的时候经过去除干扰的手段，把发射端带来的干扰尽量下降。

频谱分配及5G核心频谱

5G频谱方案：

5G之路上的重要关注：关键指标。

估计到2020年的业务须要20GHz频谱。

由于业务、客户需求愈来愈高，预计到2020年有20倍容量的提高。

为了增长20倍的需求，站点数能够增长1.4倍，频谱效率增长5倍，仍是不知足。另外须要频谱带宽增加3倍。大约须要2000M的带宽。中国目前有（687MHz），各国均有一千多MHz带宽的短缺。

解决频谱差距的方案：

1. 释放成熟的WRC-7/12频段：700/800/2300/2600/3500.

如2,3G业务少了，能够将用的少的频段释放出来供5G使用。

2. 开发WRC-15频段：C频段、L频段的频谱，IMT在6GHz如下定义的500MHz~1000MHz。

中国肯定了3.4-3.5GHz做为5G的测试使用。

3. 开发WRC-19频段：候选的UHF/C频段，更高频段>6GHz.

5G核心频段介绍：

5G将聚合全部的频段频谱：

6GHz以上主要集中在6-90GHz，再往上就是可见光。

比较热门的网段：28GHz。
6GHz如下做为覆盖层，毫米波做为容量层

频率越高，覆盖越弱。毫米波，以及28GHz的覆盖都是比较弱的。
基站和手机之间不能由遮挡物。 覆盖范文600m
基站和手机之间有遮挡物。覆盖范围 40m
因此毫米波，28GHz等主要用于容量场景，室内覆盖，回传。

3GHz如下：提供基础接入，覆盖以及移动性。
C-Band：Massive MIMO部署提高容量和覆盖。
毫米波：容量提高，家庭宽带接入，自回传，有电即有站。
华为5G低频200MHz带宽，32T 32R，测试小区吞吐率,Sub6G,为10.32Gbps。
华为5G高频，9.6GHz带宽，2T 2R，测试速率为115.20Gbps。

5G网络切片

什么是网络切片：

”网络切片“是利用虚拟化技术，将运营商网络物理基础设施资源根据场景需求虚拟化为多个相互独立的端到端网络。每一个网络切片从设备到接入网传输网再到核心网在逻辑上隔离。

为何5G须要网络切片？

主要是由于在5g的时代是一个万物互联的时代，万物互联也就意味着有多种多样的终端，也须要提供多种多样的服务，比方说VR和清视频对带宽的需求很高，可能要在20Gb/s。而车联网对于低时延、高可靠性，要求很是高，须要时延低于一毫秒，可是家里面的水表电表等等，他们对于带宽和实验没有太多要求，而是须要大的链接。针对不一样的业务不一样的需求，若是还像两三四G同样提供一样的服务，一样的网络资源，那就不行了，5g的网络切片能够把一个完整的物理网络根据需求切成多个虚拟化的切片，网络每个切片都是一个单独的逻辑网络，能够根据用户的需求提供不一样的网络资源和服务。

如何进行网络分片：

当前网络基于专用设备。而5G网络须要建立虚拟化网络，网络虚拟化是前提。

5G采用新架构来支撑分片

E2E网络切片：

网络切片业务模型设计举例：

网络切片的价值：

商业价值：网路切片能够帮助运营商快速进入垂直行业领域，获取更大的商业机会。
技术价值: 经过网络切片，一个网络即可以很好的服务于各种新的业务，极大的减小了运营商的网络投资成本。
TTM（Time to market ）: 网络切片对资源和业务逻辑隔离，下降了技术实现复杂度，缩短TTM，刺激业务创新。

5G关键技术及部署

什么是Massive MIMO：
Massive MIMO：大规模天线阵列的多天线形态。
和4G时代的Massive MIMO相比，5g时代的天线数量远大于g时的。

Massive MIMO增益—3D赋型。
所谓3D赋型指的是在垂直面上，3D面上多处赋型。而在4g是的大多MIMO技术都是平面上的赋型。5g时代MIMO能够作到在3D垂直面上，多个波束同时覆盖。对高层建筑有很好的覆盖效果。
三维波束赋型简称3D BF，加强用户的覆盖。

Massive MIMO的第二个技术分两个层面：
第一：是立体16流更窄的波束。指的是能够在同一时间造成16个独立的流。使得速率有大幅度的提高。而在4G时通常都是两流或者4流。在5G能够作到16流。同时波束更窄能够覆盖范围更广，干扰更小。
第二点：MU BF，多用户的波束赋型。对应Massive MIMO来讲，它的速率决定于发射端和接收端最小的天线速率。因此即便在基站有16根天线，可是接收端有2根天线，最终也只能造成两流。峰值速率也只能是两倍。
例如：手机有两根天线，能够将8个用户的手机组成一个组，就是16根天线。这样发射端和接收端都是16根天线。能够大大提升小区的峰值速率。
虽然可使用64T 64R，可是考虑到干扰等因素，如今通常只使用16流。未来随着技术的发展可能会使用更多流。

Massive MIMO天线阵子设计：

对于64TR的来讲，由于垂直分为了4层，因此叫也叫4V。而水平分为了8列，又由于每列的每一个点有正交的两根天线组成，因此水平是16H。同时垂直的3个阵子又组成了1T。

Massive MIMO天线硬件的变化：

传统的MIMO天线形态是由 BBU + RRU + 天线组成，使用了Massive MIMO后，成为了BBU + AAU有源天线（包含了RRU + 天线）。

上下行解耦能够提高C-Band的覆盖：C-Band上行覆盖提高。

上下行解耦：指的是在近处的时候使用的是c波段，上下行都使用的c波段也就3.5GHz，而随着手机用户不断的远离基站，那么这个时候，上行就受限，而下行因为采用大功率的天线以及Massive MIMO的技术，因此下行没有太大问题，但上行因为手机的限制，因此上行链路会受限。

解决办法：就是当手机用户远离基站的时候那么下行仍是采用3.5GHz C波段，而上行会动态的调整到跟它同站的LTE的1.8GHz的频率。固然这个1.8GHz的频率是5g跟4g采用动态共享的方式，同时呢一段 是变成了5g的使用，那么这个上行虽然用的是1.8GHz的频率，可是空口技术实际上使用的是5g的空口技术。经过这样的方式，使得手机在基站的远处，也能达到上下行平衡。同时使得5g的覆盖范围和4g的基本持平。这就是上下行解耦的技术。

注意：首先，5g和4g的小区，若是使用上下行解耦，那么它们必须是共站的，其次5g和4g的小区必须经过必定的方式链接起来，使他们资源变成资源池，这样才能互相进行通讯和有效的资源调度。也就是说若是咱们采用上下行解耦这种方式的话呢，未来4g和5g的基站必需要考虑他们之间的一个融合度和配合。

那目前来讲呢，上下行解耦里面的上行频段，协议中已经定义了如下这些频段，包括1.8GHz和800兆以及700M赫兹，未来会有更多的频率定义为上下行解耦的频率。

5G的天线解决方案：

目前,常常会谈到的是1+1的天线解决方案。那么1+1的天线解决方案呢，其实指的是把Sub-3GHz，也就是低于三GHz下的全部的制式和频率都合1同一根天线，也就是两三四g都会统一合并起来，放在一个单杆的单天线里面，其次呢，毫米波及3.5GHz的Massive MIMO共一根杆，从而造成1+1的方案。